ポリエチレン

ポリエチレンは優れた電気絶縁体です。電気ツリー抵抗に優れていますが、静電気を帯びやすい性質があります（グラファイト、カーボンブラック、または帯電防止剤を添加することで低減できます）。純粋なポリエチレンの誘電率は密度に応じて2.2～2.4の範囲にあり^{[ 22 ]}、誘電正接が非常に低いため、コンデンサの製造に適した誘電体です。同様の理由で、高周波同軸ケーブルやツイストペアケーブルの絶縁材料として一般的に使用されています。

熱履歴とフィルムの厚さによって、PEはほぼ透明（透明）、乳白色不透明（半透明）、不透明の間で変化する。LDPEは最も透明度が高く、LLDPEはそれよりやや低く、HDPEは最も低い。結晶子が可視光の波長よりも大きい場合、透明度は低下する。 ^{[ 23 ]}

エチレン（エテン）

原料またはモノマーはエチレン（IUPAC名：エテン）で、化学式C₂H₄の_気体炭化水素です_。PEの純度に関する一般的な仕様は、水、酸素、その他のアルケンが5 ppm未満です。この厳しい仕様は、ほとんどの触媒の非常に敏感な性質によって決まります。許容される不純物には、N₂、エタン（エチレンの一般的な前駆体）、メタンなどがあります_。エチレンは通常、石油化学原料から生産されますが、エタノールの脱水によっても生成されます。^{[ 7 ]} 

エチレンからポリエチレンへの重合は、以下の化学式で表される。

n CH₂ =CH₂ (ガス) →[−CH₂ −CH₂ −]_n (固体)ΔH/n=−25.71±0.59kcal/mol (−107.6±2.5kJ/mol) ^{[ 24 ]}         

エチレンは非常に安定しているが、触媒と接触すると容易に重合する。配位重合が最も一般的な技術である。一般的な触媒は、チタン(III)塩化物の変種である、いわゆるツィーグラー・ナッタ触媒である。もう1つの一般的な触媒は、シリカ上にクロム(VI)酸化物を堆積させて調製されるフィリップス触媒である。カミンスキー触媒などの可溶性金属錯体も使用される。^{[ 7 ]}ポリエチレンはラジカル重合によって製造できるが、この方法は用途が限られており、通常は高圧装置を必要とする。

UHMWPEは、数百万の分子量を持つポリエチレンで、通常は350万～750万amuです。^{[ 26 ]}分子量が高いため、UHMWPEは非常に丈夫です。高密度ポリエチレンよりも密度が低いことからわかるように、鎖のパッキング効率は低くなっています（例えば、0.930～0.935  g/cm³ ^{） 。UHMWPEは、}ツィーグラー・ナッタ触媒と可溶性触媒を使用して製造されます。^{[ 7 ]} 優れた靭性と耐切断性、耐摩耗性、耐薬品性に​​より、UHMWPEはさまざまな用途で使用されています。これには、缶やボトルを扱う機械部品、織機の可動部品、ベアリング、ギア、人工関節、アイスリンクのエッジ保護、船舶の鋼製ケーブルの代替品、肉屋のまな板などが含まれます。股関節や膝関節の置換に使用されるインプラントの関節部分の構築によく使用されます。繊維としては、防弾チョッキにおいてアラミド繊維と競合する。

 HDPEは、密度が0.941 g/cm³^以上であるポリマーと定義されます。分岐度が低いため、主に直線状の分子が密に充填され、分子間力が分岐度の高いポリマーよりも強くなります。HDPEは、クロム/シリカ触媒、ツィーグラー・ナッタ触媒、またはメタロセン触媒を用いて製造できます。分岐度は反応条件によって制御可能です。

HDPEは高い引張強度を持つ。牛乳パック、洗剤ボトル、バター容器、ゴミ容器、水道管などの製品や包装材に使用されている。

PEXは、ポリマー構造に架橋結合を導入した中～高密度ポリエチレンであり、熱可塑性樹脂を熱硬化性樹脂に変化させます。これにより、ポリマーの高温特性が向上し、流動性が低下し、耐薬品性が向上します。PEXは、金属製のニップルに被せるようにチューブを拡張でき、ゆっくりと元の形状に戻るため、恒久的で水密性の高い接続を形成できることから、飲料水配管システムの一部で使用されています。

 MDPEは、密度が0.926～0.940 g/cm³^の範囲で定義されます。MDPEは、クロム/シリカ触媒、ツィーグラー・ナッタ触媒、またはメタロセン触媒を用いて製造できます。MDPEは、優れた耐衝撃性と耐落下性を備えています。また、HDPEよりもノッチ感受性が低く、耐応力亀裂性も優れています。MDPEは、一般的にガス管や継手、袋、シュリンクフィルム、包装フィルム、レジ袋、ねじ込み式キャップなどに使用されています。

LLDPEは、密度範囲が0.915～0.925  g/cm³^と定義されます。LLDPEは、短鎖α-オレフィン（例えば、1-ブテン、1-ヘキセン、1-オクテン）とエチレンの共重合によって一般的に製造される、多数の短い分岐を持つ実質的に直鎖状のポリマーです。LLDPEはLDPEよりも引張強度が高く、耐衝撃性および耐穿刺性もLDPEより優れています。LDPEと比較して、より薄い（ゲージ）フィルムをブロー成形でき、環境応力亀裂に対する耐性も優れていますが、加工は容易ではありません。LLDPEは包装、特に袋やシート用のフィルムに使用されます。LDPEと比較して、より薄い厚さで使用できます。ケーブル被覆、玩具、蓋、バケツ、容器、パイプなどに使用されます。他の用途もありますが、LLDPEは、その強靭性、柔軟性、および比較的高い透明性から、主にフィルム用途に使用されています。製品例としては、農業用フィルム、サランラップ、プチプチ包装材から、多層フィルムや複合フィルムまで多岐にわたる。

LDPEは、密度範囲が0.910～0.940  g/cm³^で定義されます。LDPEは短鎖および長鎖の分岐度が高く、これは鎖が結晶構造にうまくパッキングされないことを意味します。そのため、瞬間双極子誘起双極子引力が小さいため、分子間力が弱くなります。この結果、引張強度が低く、延性が増加します。LDPEはフリーラジカル重合によって生成されます。長鎖の分岐度が高いため、溶融LDPEは独特で望ましい流動特性を持ちます。LDPEは、硬質容器と、ビニール袋やフィルム包装などのプラスチックフィルム用途の両方に使用されます。

LDPEの製造に用いられるラジカル重合プロセスには、成長中のPE鎖上のラジカル部位を「監視」する触媒は含まれません。（HDPE合成では、触媒が末端でラジカル部位の形成を安定化させるため、ラジカル部位はPE鎖の末端にあります。）二次ラジカル（鎖の中央）は一次ラジカル（鎖の末端）よりも安定しており、三次ラジカル（分岐点）はさらに安定しています。エチレンモノマーが添加されるたびに一次ラジカルが生成されますが、多くの場合、これらは再配列してより安定な二次または三次ラジカルを形成します。二次または三次部位へのエチレンモノマーの添加により分岐が生じます。

 VLDPEは、密度が0.880～0.915 g/cm³^の範囲で定義されます。VLDPEは、短鎖分岐を多く含む実質的に直鎖状のポリマーであり、一般的にエチレンと短鎖α-オレフィン（例えば、1-ブテン、1-ヘキセン、1-オクテン）の共重合によって製造されます。VLDPEは、メタロセン触媒を用いることで共重合モノマーの取り込み率が向上するため、メタロセン触媒を使用して製造されることが最も一般的です。VLDPEは、ホースやチューブ、氷や冷凍食品の袋、食品包装、ストレッチラップなどに用いられるほか、他のポリマーとブレンドすることで衝撃改質剤としても使用されます。

多くの研究活動は、ポリエチレンにおける長鎖分岐の性質と分布に焦点を当ててきた。高密度ポリエチレン（HDPE）では、これらの分岐の数は比較的少なく、例えば主鎖炭素1個あたり100個または1000個に1個程度であっても、ポリマーのレオロジー特性に大きな影響を与える可能性がある。

ポリエチレンの特定の物性は、その分子構造に依存します。分子量と結晶化度が最も重要な要素であり、結晶化度は分子量と分岐度に依存します。ポリマー鎖の分岐が少なく、分子量が低いほど、ポリエチレンの結晶化度は高くなります。結晶化度は35%（PE-LD/PE-LLD）から80%（PE-HD）の範囲です。ポリエチレンの密度は、結晶領域で1.0  g/cm³ ^、非晶質領域で0.86  g/cm³^です。密度と結晶化度の間にはほぼ線形関係があります。^{[ 19 ]}

異なる種類のポリエチレンの分岐度は、次のように模式的に表すことができます。^{[ 19 ]}

図は、ポリエチレンの主鎖、短鎖分岐、および側鎖分岐を示している。ポリマー鎖は直線状に表現されている。

ポリエチレンの特性は、鎖分岐の種類と数に大きく依存します。鎖分岐は、使用されるプロセス、すなわち高圧プロセス（PE-LDのみ）または低圧プロセス（その他のすべてのPEグレード）によって決まります。低密度ポリエチレンは、ラジカル重合による高圧プロセスによって製造され、その結果、多数の短鎖分岐と長鎖分岐が形成されます。短鎖分岐は分子内連鎖移動反応によって形成され、反応が次のメカニズムで進行するため、常にブチル鎖またはエチル鎖分岐となります。

低圧プロセスでは、α-オレフィン（例えば1-ブテンや1-ヘキセン）をポリマー鎖に組み込むことができます。これらの共重合体は短い側鎖を導入するため、結晶化度と密度が低下します。前述のように、これにより機械的特性と熱的特性が変化します。特に、PE-LLDはこの方法で製造されます。メタロセン触媒を用いて製造される「メタロセンポリエチレン」（PE-M）では、 1-ヘキセンとの共重合体が一般的です。PE-Mは、比較的狭い分子量分布、非常に高い靭性、優れた光学特性、均一なコモノマー含有量を有​​しています。分子量分布が狭いため、擬塑性体としての挙動は少なく（特に大きなせん断速度下で）、低分子量（抽出可能）成分と低い溶着・封止温度を有しています。したがって、食品産業に特に適しています。^{[ 19 ]： 238 [ 27 ]： 19}

環状オレフィン共重合体は、メタロセン触媒を用いて製造されたエテンとシクロオレフィン（通常はノルボルネン）の共重合によって調製される。得られるポリマーは非晶質であり、特に透明で耐熱性に優れている。^{[ 19 ]： 239 [ 27 ]： 27}

多峰性分子量分布を有するポリエチレンは、複数のポリマー分画が混合されたものである。このようなポリエチレンは、極めて高い剛性、靭性、強度、耐応力亀裂性、および亀裂伝播抵抗性を示す。これらは、高分子量ポリマー分画と低分子量ポリマー分画が等量ずつ混合されたものである。低分子量単位は結晶化しやすく、緩和も速い。高分子量分画は結晶子間に連結分子を形成し、靭性と耐応力亀裂性を向上させる。多峰性分子量分布を有するポリエチレンは、二段階反応器、担体上に2つの活性中心を有する触媒、または押出機での混合によって製造することができる。^{[ 19 ]： 238}

エチレン/ビニルアルコール共重合体（EVOH）は、（正式には）ポリエチレン（PE）とビニルアルコールの共重合体です。この材料は、エチレン-酢酸ビニル共重合体の（部分）加水分解によって製造されます。ただし、一般的にEVOHは、一般的に使用されるVACよりもコモノマー含有量が高くなっています。^{[ 28 ]： 239} EVOHは、包装用の多層フィルムにおいてバリア層（バリアプラスチック）として使用されます。EVOHは吸湿性（吸水性）があるため、周囲の水分を吸収し、バリア効果を失います。したがって、他のプラスチック（LDPE、PP、PA、PETなど）に囲まれたコア層として使用する必要があります。EVOHは、街灯、信号柱、防音壁の防食コーティングとしても使用されます。^{[ 28 ]： 239}

エチレンと不飽和カルボン酸（アクリル酸など）の共重合体は、さまざまな材料に対して良好な接着性を示します。^{[ 19 ]}応力亀裂に強く、高い柔軟性を示します。^{[ 29 ]} エチレン-アクリル酸共重合体（および関連材料）の脱プロトン化によって形成される塩は、イオノマーです。金属への良好な接着性に加えて、高い耐摩耗性と高い吸水性を示します。^{[ 19 ]}

エチレン-酢酸ビニル共重合体は、高圧重合によりLD-PEと同様の方法で製造される。コモノマーの割合は、ポリマーの挙動に決定的な影響を与える。コモノマーの割合が非常に高い場合（約50%）、ゴム状の熱可塑性樹脂（熱可塑性エラストマー）が製造される。^{[ 28 ]： 235}エチレン-アクリル酸エチル共重合体は、エチレン-酢酸ビニル共重合体と同様の挙動を示す。^{[ 19 ]： 240}

基本的な区別として、過酸化物架橋（PE-Xa）、シラン架橋（PE-Xb）、電子線架橋（PE-Xc）、アゾ架橋（PE-Xd）がある。^{[ 30 ]}

図には、過酸化物架橋、シラン架橋、および放射線架橋が示されている。いずれの方法においても、ポリエチレン鎖（中央上部）に、放射線（h·ν）または過酸化物（ROOR）によってラジカルが生成される。その後、2つのラジカル鎖が直接架橋（左下）するか、シラン化合物によって間接的に架橋（右下）する。

• 過酸化物架橋（PE-Xa） ：過酸化物（例えば、ジクミル過酸化物またはジ-tert-ブチル過酸化物）を用いたポリエチレンの架橋は、依然として非常に重要である。いわゆるエンゲル法では、押出機内で低温で混合されたHDPEと2% ^{[ 31 ]}の過酸化物の混合物が、高温（200～250  ℃）で架橋される。^{[ 30 ]}過酸化物は過酸化物ラジカル（RO•）に分解し、これがポリマー鎖から水素原子を引き抜き（除去し）、ラジカルを生成する。これらのラジカルが結合すると、架橋ネットワークが形成される。^{[ 32 ]}結果として得られるポリマーネットワークは均一で、張力が低く、柔軟性が高いため、（照射された）PE-Xcよりも柔らかく、靭性が高い。^{[ 30 ]}
• シラン架橋（PE-Xb） ：シラン（例えばトリメトキシビニルシラン）の存在下で、ポリエチレンは、照射または少量の過酸化物によって最初にSi官能基化される。その後、水浴中で加水分解によりSi-OH基が形成され、それが縮合してSi-O-Si架橋を形成することによりPEを架橋する。[16]ジブチル錫ジラウレートなどの触媒は反応を促進する可能性がある。^{[ 31 ]}
• 放射線架橋 (PE-Xc) : ポリエチレンの架橋は、下流の放射線源 (通常は電子加速器、場合によっては同位体放射線源) によっても可能になります。 PE 製品は、水素原子を分離することによって結晶融点以下で架橋されます。β 線は10 mm、γ 線は100 mm の浸透深さを持ちます。 これにより、内部または特定の領域を架橋から除外することができます。^{[ 30 ]}しかし、高い設備投資と運転コストのため、放射線架橋は過酸化物架橋に比べて小さな役割しか果たしていません。^{[ 28 ]}過酸化物架橋とは対照的に、このプロセスは固体状態で実行されます。 これにより、架橋は主に非晶質領域で発生し、結晶性はほぼそのまま残ります。^{[ 31 ]} 
• アゾ架橋（PE-Xd）：いわゆるルボニルプロセスでは、ポリエチレンは押出成形後に高温塩浴中で予め添加されたアゾ化合物によって架橋される。 ^{[ 28 ] [ 30 ]}

塩素化ポリエチレン（PE-C）は、塩素含有量が34～44%の安価な材料です。柔らかくゴム状の塩素化ポリエチレンがPVCマトリックスに埋め込まれることで耐衝撃性が向上するため、 PVCとのブレンドに使用されます。また、耐候性も向上します。さらに、可塑剤の移行を誘発することなく、PVCフィルムを軟化させるためにも使用されます。塩素化ポリエチレンは過酸化物を用いて架橋することでエラストマーを形成でき、ケーブルやゴム産業で使用されています。^{[ 28 ]}塩素化ポリエチレンを他のポリオレフィンに添加すると、可燃性が低下します。^{[ 19 ] : 245}

クロロスルホン化ポリエチレン（CSM）は、オゾン耐性合成ゴムの原料として使用される。^{[ 33 ]}

ブラスケムと豊田通商は、サトウキビからポリエチレンを生産するための共同マーケティング活動を開始した。ブラスケムは、ブラジル、リオグランデ・ド・スル州トリウンフォにある既存の工業団地に、年間生産能力20万ショートトン（1億8000万kg）の新施設を建設し、サトウキビ由来のバイオエタノールから高密度ポリエチレンと低密度ポリエチレンを生産する予定である。^{[ 34 ]} 

ポリエチレンを分解する酵素や微生物を発見することを目的とした実験がいくつか行われてきた。ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミドなどのいくつかのプラスチックは、加水分解または空気酸化によって分解する。このような場合、細菌やさまざまな酵素カクテルによって分解が促進されることがある。主鎖がCC結合のみで構成されているポリマーの場合は状況が大きく異なる。これらのポリマーには、ポリエチレンだけでなく、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリレートも含まれる。これらのポリマーは、せいぜい非常にゆっくりと分解する。^{[ 39 ]}さらに状況を複雑にしているのは、予備的な成功でさえ、マスコミによって熱狂的に迎えられることである。^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

インドミールガの幼虫はポリエチレンを代謝するとされている。Plodia interpunctellaガの幼虫の腸はポリエチレンを代謝し、引張強度を 50%、質量を 10%、分子量を 13% 低下させる。^{[ 43 ] [ 44 ]}

ガレリア・メロネラの幼虫はポリエチレンを摂取するとも言われている。幼虫は腸内細菌叢^{[ 45 ]}と、プラスチックを酸化および解重合する酵素を含む唾液^{[ 46 ]}の組み合わせによりポリエチレンを消化することができる。